矿用无人值守自动化排水监控系统设计应用.pdf

:./.矿用无人值守自动化排水监控系统设计应用董璐鑫(晋能控股集团长沟煤矿有限责任公司山西 晋中)摘 要:当前煤矿井下排水系统存在控制方式单一、水泵启停频繁且自动化水平低下等问题 为解决这些问题该文基于井下排水智能控制技术应用研究结合现有多级排水方式现状及需求提出了一种基于 控制的矿用无人值守自动化排水监控系统设计方案 系统采用分布式控制结构对多组水泵实现自适应启停控制、进出水口流量压力实时监测及阀门状态监控等功能并对多泵房排水协同控制策略进行设计优化 最后通过实验测试验证了系统功能的合理性及可靠性有效提高煤矿排水控制的智能化水平关键词:井下排水系统分布式结构协同控制中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):./.:引 言随着我国煤矿智能化水平不断提高煤矿安全事故发生率在逐年降低 煤矿井下安全事故主要包括瓦斯、火灾、顶板、机电及水害事故等除占比最高的瓦斯事故外水害事故量已上升为第二严重影响了煤矿生产安全及效率 在煤炭开采过程中开采区的水文地质会受到破坏导致地下水上涌及地表水渗透严重时甚至发生透水事故 目前国内煤矿排水系统仍以人工操作为主主要由操作人员根据现场情况对闸阀及水泵进行操作该方式难以迅速、准确定位故障点在发生事故后其处理效率低下因而导致水害事故频发 而自动化及信息控制技术的应用会使排水系统具备无人值守条件这对于减少水害事故发生、保证煤矿安全高效生产具有重要意义针对上述问题笔者提出了一种基于 控制的井下无人值守自动化排水监控系统方案 系统采用 及远程上位机协同工作实现井下各水泵及闸阀的自适应启停控制同时可对井下水仓水位、水泵及闸阀状态进行在线监测 其分布式控制结构可有效提高系统控制方式的多样性及系统可靠性其涌水量动态调节策略可有效降低能耗成本此方案对提高井下排水系统智能化水平具有实际应用价值 智能排水监控系统功能及排水方式设计目前国内煤矿排水系统因受技术与基础设备限制多采用人工操作控制方式且系统控制结构集中单一系统效率及可靠性较差存在诸多安全隐患 针对上述问题结合井下排水方式及系统控制结构分析对井下排水系统结构、功能及排水方式进行优化设计矿井排水方式种类众多目前常见的井下排水方式包括独立排水、集中排水和分段排水三种类型需根据矿井涌水量等自身条件的不同选择最合适的排水方式 三种排水方式如图 所示独立排水通过井下每个水平采面泵房及独立管道进行排水排水安全性较高但成本过大集中排水适用于各水平采面涌水量差异较大且逐级递减的煤机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)煤矿机电收稿日期:作者简介:董璐鑫()男山西阳泉人助理工程师主要从事煤矿技术方面的科研工作矿它通过将高水平蓄水排至低水平泵房后再集中排放分段排水将低水平蓄水排至高水平泵房后逐级将矿井水排出实现由低到高逐级分段排水该方式兼顾管道铺设成本及排水可靠性因此文中选用分段排水作为系统排水方式图 井下排水方式示意图 传统排水系统采用集中控制结构由控制主站对各泵室分站进行集中控制 但是主站一旦出现故障将导致整个系统瘫痪可靠性较差 为进一步提高系统控制性能、可靠性及功能性排水系统控制结构采用分布式控制结构设计各泵室控制单元独立运行由可靠通信网络与上位机进行交互系统控制性能与可靠性得到进一步提升 排水系统控制结构如图 所示图 排水系统控制结构对比示意图 智能供水监控系统具备以下功能()多种控制模式快速切换 系统除具备井下现场控制功能外还可通过上位机进行远程监控操作远程控制具备检修、手动及自动三种控制模式控制模式优先级设置为:现场监控大于远程监控、检修大于手动、手动大于自动()排水数据实时采集监测 系统通过在各泵室布置的大量传感器对水仓水位、水泵进出水口流量及压力、闸阀位置及离心水泵工况参数等进行实时采集并通过上位机实时显示监测()多泵房协同排水控制 不同水平泵房除独立运行外各监测分站还可以将自身泵房进出水口流量及压力采集数据通过工业以太网进行共享 经分析自适应控制各泵房水泵启停数量()故障及越限报警 当系统 等设备异常或传感器采集数据超出阈值时及时发出报警避免进一步事故的发生 智能排水监控系统设计.监控系统总体方案结合监控系统控制结构选取及功能设计目标采用 作为各泵室监控分站 各分站设置了数据采集模块及执行模块用于泵室水泵出入水口流量压力监测、电机及闸阀运行参数采集以及水泵、阀门启停操作的执行 除各泵室 监测分站外系统设置水泵组调度 控制主站下设水仓水位、管道流量数据采集单元通过水位变化的计算处理来实现水泵最优调度 各监测分站与主站间采用 总线进行通信各监测站与上位机通过工业以太网实现通信从而建立可靠数据交互网络 系统总体结构如图 所示图 智能排水监控系统总体结构图.监控主站方案水泵组 调度监控主站是实现水位流量监测、水泵组最优调度控制的核心单元 主控器选用西门子 除控制器外系统还需根据所需模拟量输入及数字量输入输出通道数量增加输入输出模块以满足系统采集与控制需求 监控主站的数字量输入信号包括控制模式切换及复位信号数字量输出信号包括运行状态及故障信号水仓水位及管道流量均为模拟量输入信号 监控主站配置以太网接口及 接口以用于与交换机及监测分站进行通信监控主站硬件结构如图 所示 系统具备检修、自动、手动三种控制模式及复位、急停共 个数字量输入信号水仓水位流量及管道流量监测点模拟输入信号分别设置 个、个系统报警、故障指示、状态指示信号共 个 结合系统/点位统计 数字量输入输出扩展模块型号选用煤矿机电 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用、模 拟 量 输 入 扩 展 模 块 型 号 选 用输入输出扩展模块参数如表 所列图 监测主站硬件结构图表 输入输出扩展模块选型及参数模块名称型 号数 量参 数数字量输入模块 通道输入 数字量输出模块 通道输出 模拟量输入模块 通道输入.数据采集模块方案数据采集模块是采集排水设备运行参数、实时监测排水状态的重要模块也是为智能控制策略提供判断依据的基础环节因此其硬件选型及模块设计至关重要 监控主站与监控分站都包含数据采集模块其中监控主站监测量为水仓水位及管道流量监控分站监测量为水泵出水口压力、水泵电机温度及电压电流、闸阀开度位置 在满足系统监测量需求前提下数据采集模块传感器选型原则还需满足通信信号传输距离、测量精度及范围需求具体硬件选型及参数如表 所列表 可见光红外测温模块硬件选型及参数传感器类型型 号参 数数 值液位传感器流量传感器压力传感器电压互感器电流互感器温度传感器测量范围/测温精度/.分辨率/测量范围/(/)测量精度/.工作压力/.测量范围/测量精度/响应时间/额定电压/额定频率/额定电压/额定频率/测温范围/测量精度/系统运行测试采用 对上位机人机交互界面进行搭建 根据煤矿自动化排水监控系统的设计要求系统上位机具备各泵室运行状态指示、水泵出入水口压力监测、水泵电机电流及温度监测、闸阀开度位置监测等可视化监测功能 为验证系统实际使用效果文中以矿井现场作为实验地点对系统进行运行测试实验地点排水基本情况为:矿井泵室共具备四台 水泵配用 电动机额定功率 额定流量 /正常情况下两台运行、两台备用 运行测试以、泵组运行、泵组备用条件进行运行过程中系统各项排水监测功能实现良好通过人机交互界面可直观看到各泵组运行状态及排水情况系统人机交互界面如图 所示部分排水工况参数测量数据如表 所列图 系统人机交互界面示意图表 排水系统采集监测数据表序 号水仓水位/管道流量/(/)电机电流/电机温度/出口压力/.经实际测试监控系统可对矿井内排水设备各工况参数进行实时监测并根据该次数据采集由上位机分析得出结论:该机组电机电流稳定且电机未出现过热现象排水管道流量、水仓水位均满足矿井涌水量需求 由此可知监控系统对矿井排水智能化监控水平提升具有实际应用价值 结 语 文章针对煤矿传统排水系统存在的问题提出了(下转第 页)机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)煤矿机电图 电驱动采煤机控制系统试验平台.遥控发射器.遥控接收器.为控制面板.远程控制计算机.触摸显示屏.板.电源模块.接口扩展板.中央控制板.变频器.试验验证()控制监测功能验证试验时分别通过遥控器、控制面板的按钮实现牵引电机启停、正反转以及加减速功能并实现截割电机启停、左右摇臂升降 同时左右截割电机为互锁启动启动间隔时间为 通过触摸屏显示界面可查看开关量信号“绿色”标识为动作“红色”标识为未动作可查看传感器信号实时值且当牵引部水流量小于阈值、牵引变压器温度大于阈值、主从变频器故障时可触发牵引电机自动停机左右截割电机温度大于阈值水流量小于阈值时也可触发截割电机自动停机 可通过图 所示的电驱动采煤机控制系统远程监控平台的运行状态图 电驱动采煤机控制系统远程监控平台 ()远程控制功能验证试验时通过 总线通讯、中央控制板将采煤机运行时的所有数据传送至远程控制计算机远程控制计算机对接收到的数据进行分析、计算并对采煤机发出控制指令 远程控制计算机发出牵引电机启停、正反转、加减速指令发出截割电机启停、左右摇臂升降等指令后观察 指示灯、触摸屏人机界面运行状态以确认对应控制指令功能是否完成 同时也可在如图 所示的远程控制计算机界面可动态、实时查看采煤机运行状态 结 语以综采工作面电驱动采煤机为研究对象重点阐述了系统设计、硬件设计以及软件设计的思路和方法 基于 控制器技术、主从变频技术、总线通讯技术设计电驱动采煤机控制系统并通过试验验证说明此设计并实现的电驱动采煤机控制系统灵活性好数据处理能力强 此控制系统满足设计要求提升了采煤机的智能化水平有助于提升综采工作面作业效率和安全系数参考文献:赵光瑞杨金楼刘浩明.高端采煤机电控系统分析.陕西煤炭():.淮文军王明芳.基于 和 的电牵引采煤机电控系统优化设计.煤矿机械():.索智文赵亦辉周展.超大采高采煤机智能诊断电气控制系统研究.煤炭工程():.王雪松.电牵引采煤机分布式控制系统的研究与开发.徐州:中国矿业大学.高 梅.基于 的电牵引采煤机远程监控系统研究.煤炭技术():.路染妮.采煤机智能化控制系统研究与设计.煤矿机械():.杨于林李 彬刘志明.型电牵引采煤机电控系统的研究.煤矿机电():.张旭辉姚 闯刘志明等.面向自动化工作面的电牵引采煤机控制系统设计.工矿自动化():.焦佳伟石云波邹 坤.基于 和 串行通信的控制系统设计.自动化与仪表():.毕可仁.基于 总线的电牵引采煤机电控系统的研究.徐州:中国矿业大学.(上接第 页)一种基于 控制的矿用无人值守自动化排水监控系统 该系统采用分布式结构可对各水平泵室设备工况参数及排水数据进行实时采集监测并可通过可靠通信网络实现远程在线监测与控制 经实际测试系统各项监控功能实现良好可保证矿井排水系统安全稳定运行参考文献:耿景磊.和善煤矿井下排水系统优化方案比选.矿业装备():.樊智强孟嘉楠.控制系统在煤矿井下排水系统中的应用.机械管理开发():.散利鹏.煤矿井下排水系统方案的研究与设计.机械管理开发():.刘晓斌.井下排水系统水泵自动化控制系统设计.能源与节能():.王俊青.煤矿井下排水系统方案优化.自动化应用():.机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)煤矿机电